ПАРОВОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР КУЩЕНКО В.А. Российский патент 2012 года по МПК F01B17/04 

Устройство относится к области преобразования энергии горения в электрическую энергию.

Известен механический осциллятор с газовым приводом (заявка РФ №96105904, F01B 11/04, 1998), содержащий корпус, камеры расширения, колебательный элемент, управляющее средство. Недостатком известного устройства является громоздкость и неэффективность конструкции, невозможность получения электроэнергии.

Известен электроагрегат «Абракитов» (заявка РФ №94037124, F01B 1/12, Н02К 35/00, 1996) содержащий тепловой двигатель с поршнями и линейным электрическим генератором. Недостатком известного устройства является невозможность использования энергии пара, так как устройство является двигателем внутреннего сгорания. Совмещение магнитной части механики нерационально, так как нагрев уменьшает или уничтожает магнитное свойство материала, отвод тепла затруднен, так как негде ставить не воздушные радиаторы, тем более водяную рубашку.

Известна паросиловая установка с поршневым двигателем (патент РФ №2091591, F01B 17/04, 1997, прототип), сущность которого заключается в том, что поршневой двигатель содержит цилиндр, присоединенные к нему с обеих сторон головки и поршень, расположенный в цилиндре с возможностью осевого перемещения, причем шток поршня подключен к линейному генератору, паровпускные отверстия, паровыпускную трубу, вычислительную машину для управления управляющими клапанами, соединенными с паровпускными отверстиями.

Недостатком известного устройства является сложность и громоздкость конструкции, наличие электронных средств управления требует стабилизации напряжения, еще более усложняет конструкцию, которая не предусмотрена в данном устройстве. Устройство не может стабильно подавать заданное напряжение на выходах генератора потребителю, так как отсутствует регулятор напряжения. В силу своей сложности устройство ненадежно, малоремонтопригодное. Имеет небольшой срок службы.

Технический результат заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления, повышении безопасности.

По первому варианту технический результат достигается тем, что паровой электрогенератор, содержащий рабочий цилиндр с поршнем и штоком, входное и выходное отверстия для пара, электрическую машину, приводимую в действие штоком поршня цилиндра, согласно изобретению, снабжен распределителем пара с входным и выходным отверстием для пара, состоящим из двух подвижных клапанов с пазами, штока с выступом, соединенного со штоком, на котором закреплен поршень рабочего цилиндра.

По второму варианту технический результат достигается тем, что паровой электрогенератор, содержащий рабочий цилиндр с поршнем и штоком, входное и выходное отверстия для пара, электрическую машину, согласно изобретению, снабжен распределителем пара с входным и выходным отверстием для пара, состоящим из двух подвижных клапанов с пазами, штока с выступом, соединенного со штоком, на котором закреплен поршень рабочего цилиндра; насосом рабочей жидкости с поршнем, шток которого присоединен к штоку поршня рабочего цилиндра; распределителем рабочей жидкости, состоящим из подвижного клапана с пазом, входными и выходными отверстиями, при этом шток поршня насоса, имеющий на свободном конце выступ, выполнен проходящим через стенку клапана распределителя; гидроаккумулятором и подключенным к нему гидроприводом, вал которого соединен с якорем электромашиной; выходные отверстия распределителя рабочей жидкости подключены к гидроаккумулятору, который с помощью выходных отверстий с подвижными заслонками сообщается с гидроприводом, выходное отверстие которого соединено с входными отверстиями распределителя, к другим входным отверстиям распределителя подключены выходные отверстия насоса; блоком частотного фазового регулятора, который состоит из генератора импульсов, подключенного к первому делителю, подключенного к первому ключу, вторым входом подключенного к первому выходу триггера, а выходом - к +1 входу счетчика, выход которого подключен к первому входу шифратора, второй вход которого подключен к выходу настроечного устройства, выход шифратора соединен с входом первого исполнительного элемента, подключенного к входу первой заслонки гидроаккумулятора, пороговый элемент установлен на корпусе генератора, на валу которого установлена метка (магнит, источник освещения), выход порогового элемента подключен к входу первого формирователя импульсов, который подключен к 1-му входу первого триггера, и к входу первого элемента задержки, выход первого триггера подключен к входу элемента НЕ, подключенного к 1-му входу второго ключа, который подключен к выходу первого элемента задержки, выход второго ключа подключен к «0»-входу первого триггера и к входу второго формирователя импульсов, подключенного к р-входу шифратора и к входу второго элемента задержки, подключенного к «0»-входу счетчика, выход первого формирователя импульсов подключен к первому входу третьего ключа, р-вход которого подключен к четвертому ключу, подключенного к р-выходу шифратора, первый вход которого подключен к выходу второго делителя, вход которого подключен к выходу генератора импульсов, выходы третьего и четвертого ключей подключены к 1 и 0 входам второго триггера, первый выход которого подключен к второму входу четвертого ключа и к входу второго исполнительного элемента, выход которого подключен к входу второй заслонки гидроаккумулятора, снабженной пружиной, «0»-выход второго триггера подключен ко 2-му входу третьего ключа, причем метка крепится на валу генератора.

Устройство по первому варианту состоит (фиг.1) из распределителя пара (РП) 1, рабочего цилиндра (РЦ) 2, входных отверстий 3 РП 1, выходных отверстий 4 РП 1, подвижных клапанов 5 (выходного и входного), штока 6, соединенного со штоком 7, на котором крепится поршень 8, с каждой стороны которого находятся амортизирующие элементы (например, пружины) 9. На штоке 6 находится выступ 10 (фиг.16), при движении входящий в зацепление с пазами 11а и 11б. К РЦ 2 крепится линейный электрогенератор 12, имеющий обмотку 13 и магнитные элементы (МЭ) 14. Обмотка имеет выводы 15 для съема получаемого напряжения (Uн).

На фиг.2 изображен второй вариант парового электрогенератора. Здесь РП 1 прикреплен к РЦ 2, который прикреплен к корпусу насоса 16, который содержит поршень 17, прикрепленный к штоку 18, соединенный со штоком 7 РЦ 2. Насос 16 имеет первое отверстие 19 и второе отверстие 20. Шток 18 имеет выступ 18.1, аналогичный выступу 10. К насосу 16 прикреплен распределитель рабочей жидкости (Р) 22, имеющий подвижный клапан 23. Р 22 имеет два выходных отверстия 24, которые подключены к гидроаккумулятору (ГА) 25, который отверстиями 26 соединен с гидроприводом (ГП) 27, который содержит винт (шнек) 28. ГА 25 имеет поршень 29 и пружину 30. Выходное отверстие 31 ГП 27, подключено к двум входным отверстиям 32 Р22. К другим входным отверстия 33 Р 22 подключены выходное отверстие 19 насоса 16. Отверстия 34 клапана 23 распределителя Р22 подключены к отверстию 20 насоса 16. Якорь 35 (обладающий заданной инерционностью) электромашины (ЭГ) 36 подсоединен к валу винта 28. ЭГ 36 содержит также обмотки 37, имеющие выходы 38. Якорь 35 крепится в подшипнике 39. Обратный клапан 40 стоит на входе ГА 25, устройство содержит также датчик давления 41 рабочей жидкости, установленный в полости ГА 25. Винт 28 соединен с якорем 35 посредством обгонной муфты 42.

Блок частотного фазового регулятора (БЧФР) 43 (фиг.3) состоит из генератора (Г) 44, подключенного к первому делителю (Д1) 45, подключенного к первому ключу (К1) 46, вторым входом подключенного к первому выходу триггера (ТР1) 47, а выходом - к +1 входу счетчика (СЧ) 48, выходы которого подключен к первым входам дешифратора (Ш) 49, вторые входы которого подключены к выходам настроечных устройств (НУ) 50. Выход шифратора Ш 49 соединен с входом первого исполнительного элемента ИЭ1 57, подключенного к входу первой заслонки ЗС1 58 гидроаккумулятора ГА 25 Пороговый элемент (ПЭ) 51 установлен на корпусе генератора, на валу которого установлена метка (магнит, источник освещения) и так далее. Выход ПЭ 51 подключен к входу первого формирователя импульсов (ФИ1) 52, который подключен к 1-му входу первого триггера (ТР1) 47, и к входу первого элемента задержки (Э1) 53. Выход первого триггера (ТР1) 47 подключен к входу элемента НЕ 54, подключенного к 1-му входу первого ключа (К1) 55, подключен к выходу первого элемента задержки (Э1) 53. Выход К 1 55 подключен к «0»-входу ТР1 47 и к входу формирователя импульсов 2 (ФИ2) 59, подключенного к р-входу Ш 49, к входу Э2 59.1, подключенного к «0»-входу СЧ 48. Выход ФИ 52 подключен к первому входу КЗ 60, р-вход которого подключен к К4 61, подключенного к р-выходу Ш 49, первый вход которого подключен к выходу Д2 62, вход которого подключен к выходу Г 44. Выходы К3 60, К4 61 подключены к 1, 0 входам ТР2 63, соответственно первый выход которого подключен к второму входу К4 61 и к входу ИЭ2 64, выход которого подключен к входу заслонки второй (ЗС2) 65, снабженной пружиной 66. «0»-выход ТР 63 подключен ко 2-му входу К3 60. Метка (МТ) 67 крепится на валу генератора.

Устройство работает следующим образом.

По первому варианту. Спаренные клапаны 5 (фиг.1a) находятся в правом положении РП 1, поршень 8 РЦ 2 - в крайнем левом положении. Подаваемый от парогенератора пар проходит через отверстие 3 на второй вход РЦ 2, поршень 8 которого начинает двигаться влево, вытесняя газ через открытое соответствующее отверстие второго клапана РП 1 через отверстие 4, двигая шток 7 и шток 6. Подходя к своему крайнему положению, выступ 10 входит в зацепление с пазом 11а клапанов 5, которые переходят в крайнее левое состояние. Пружина 9 смягчает удар поршня 8. Пар через отверстие 3 проходит на первое отверстие РЦ 2а, поршень 8 начинает двигаться в крайнее правое положение, двигая шток 7 и шток 6. При этом выступ 10 входит в зацепление с пазом 11б и переводит клапан (клапаны) 5 в крайнее правое положение. Пружина 9 смягчает удар поршня 8, и вышеописанный цикл повторяется, вновь. При совершении колебательных движений магнитное поле МЭ 14 пересекает витки обмотки 13 электрогенератора 12, вырабатывая на выходах 15 электрическое напряжение (Uн).

Второй вариант. Пар аналогично первому случаю поступает через отверстие 3 и выходит через отверстия 4 РП 1 (фиг.2), подавая пар в РЦ 2, который работает аналогично вышеописанному, совершая возвратно-поступательные движения. При этом шток 18 приводит в движение поршень 17, который выдавливает рабочую жидкость из соответствующей полости в отверстия 20 и через открытый клапан 23 Р 22 в полость ГА 25, сжимая посредством поршня 29 пружину 30. ГА 25 поддерживает высокое давление. Рабочая жидкость через отверстия 26 приводит во вращение винт (шнек) 28, который вращает якорь 35. В обмотках 37 вырабатывается ток, и на выходах 38 появляется напряжение (Uн). Рабочая жидкость, с выхода 31 ГП 27, проходит открытые отверстия 32-33 Р 22 на вход 19 насоса 16. Доходя до крайнего правого положения, поршень 17 выступом 18.1 переводит клапан 23 в крайнее правое положение. Сам поршень начинает двигаться влево, вытесняя рабочую жидкость через отверстие 19, соответствующие входы 24, 33 Р 22 на вход ГА 25. Рабочая жидкость с выхода 31 ГП 27 проходит открытые отверстия 32, 34 Р 22 на выход 20 насоса 16. Далее вышеописанный цикл повторяется вновь. Обратный клапан 40 поддерживает необходимое давление. Обгонная муфта 42 смягчает гидравлические удары.

Блок частотного фазового регулятора (БЧФР) 43 работает следующим образом. Генератор (Г) 44 подает импульсы на вход делителя (Д1) 45, далее на первый вход ключа (К) 46. Если триггер (ТР) 47 в «1» импульсы проходят на +1-вход счетчика (СЧ) 48 и далее на и 1-входы шифратора (Ш) 49, на и2-входы которого поступают коды от настроечного устройства (НУ) 50 (в простейшем случае это может быть ПЗУ, пульт управления, задающий параметры Ш 41, в более сложном случае это цифровой процессор, получающий данные также от СЧ 48). Пороговый элемент (ПЭ) 51 срабатывает в отметке на валу генератора, давая между двумя импульсами время оборота вала. Формирователь импульсов (ФИ) 52 формирует сигнал, и он переводит триггер (ТР) 47 в «1». При этом К 46 открывается и СЧ 48 считывает импульсы от Д 45, определяя длительность периода времени вращения вала генератора. Следующий импульс от (ПЭ) 51 проходит Э 53, открытый (через НЕ 54) К 55 и переводит ТР 47 в «0». В СЧ 48 находится код времени периода вращения вала. Сигнал с выхода К 55 проходит формирователь импульсов (ФИ) 56 на разрешающий (р) вход шифратора (Ш) 49. В зависимости от ситуации частота вращения вала генератора больше заданного в НУ 50, или меньше на и-выходах Ш 49 появляется соответствующий код, который поступает на исполнительный элемент (ИЭ) 57, приводя в движение заслонку (ЗС) 58, которая может либо открыться больше, либо закрыться. По сигналу с выхода элемента задержки (Э) 59 СЧ 48 переходит в «0» и процесс регулирования по частоте продолжается, как было описано выше. НУ 50 в качестве процессора может реализовать алгоритм управления на опережение используя данные СЧ 48. При использовании предлагаемого устройства в качестве источника питания необходимо регулировать не только частоту, но и фазы. БЧФР 43 при равенстве частот импульсов от Д 45 и ПЭ 51 вырабатывает сигнал на р-выходе Ш 41, который открывает ключи (К) 60, 61. Опорные импульсы от Г 44 проходят Д 62 на 1-й вход К 61. Импульсы от ПЭ 51 через ФИ 52 проходят К 60 и переводят триггер (ТР) 63 в «1», который закрывает К 60, открывает К 61. и через исполнительный элемент (ИЭ) 64 управляет заслонкой (ЗС) 65 (сжимая или разжимая пружину 66 в зависимости от ее конструкции). Заслонка регулирует подачу потока, и фаза вращения вала смещается. Как только приход импульса с выхода Д 62 через К 61 на «0»-вход ТР 63, он переходит в «0», К 60 открыт, К 61 закрыт, ИЭ 64 приводит в движение ЗС 65. Таким образом, получается широтно-модулированный сигнал. При равенстве фаз, наличие сигнала и его отсутствие равны. ЗС 65 занимает среднее положение. При его открывании увеличивается поток, при закрывании уменьшается, тем самым регулируется фаза вращения вала генератора.

По сравнению с прототипом устройство обладает следующими преимуществами: устройство компактно, имеет меньшее количество деталей, легче изготавливается в микро- и макромасштабах. Позволяет за счет модульности, наращивая, получать необходимую мощность. Позволяет использовать различные электрические машины для выработки электрической энергии. Позволяет работать с невысоким давлением пара, что избавляет от контроля специальных организаций, повышая безопасность и уменьшая вероятность аварий, т.к. применяется не кинетический способ передачи энергии, а потенциальный, за счет расширения пара. Не имеет массивных вращающихся частей. Позволяет использовать разнообразные источники энергии, в том числе и солнечную. Применение легко кипящих жидкостей позволяет регулировать энергетические затраты на парообразование. Также позволяет использовать в качестве источника движения любой поток жидкости или газа.

Устройство относится к области преобразования энергии горения в электрическую энергию. Паровой электрогенератор содержит рабочий цилиндр с поршнем и штоком, электрическую машину, приводимую в действие штоком поршня цилиндра, распределитель пара с входным и выходным отверстием для пара, состоящий из двух подвижных клапанов с пазами, штока с выступом, соединенного со штоком, на котором закреплен поршень рабочего цилиндра, снабжен насосом рабочей жидкости с поршнем, шток которого присоединен к штоку поршня рабочего цилиндра, распределителем рабочей жидкости, состоящим из подвижного клапана с пазом, входными и выходными отверстиями, гидроаккумулятором и подключенным к нему гидроприводом, вал которого соединен с якорем электромашины, блоком частотного фазового регулятора. Изобретение позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления, повысить безопасность работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Паровой электрогенератор, содержащий рабочий цилиндр с поршнем и штоком, входное и выходное отверстия для пара, электрическую машину, отличающийся тем, что он снабжен распределителем пара с входным и выходным отверстием для пара, состоящим из двух подвижных клапанов с пазами, штока с выступом, соединенного со штоком, на котором закреплен поршень рабочего цилиндра; насосом рабочей жидкости с поршнем, шток которого присоединен к штоку поршня рабочего цилиндра; распределителем рабочей жидкости, состоящим из подвижного клапана с пазом, входными и выходными отверстиями, при этом шток поршня насоса, имеющий на свободном конце выступ, выполнен проходящим через стенку клапана распределителя; гидроаккумулятором и подключенным к нему гидроприводом, вал которого соединен с якорем электромашины; выходные отверстия распределителя рабочей жидкости подключены к гидроаккумулятору, который с помощью выходных отверстий с подвижными заслонками сообщается с гидроприводом, выходное отверстие которого соединено с входными отверстиями распределителя, к другим входным отверстиям распределителя подключены выходные отверстия насоса; блоком частотного фазового регулятора, который состоит из генератора импульсов, подключенного к первому делителю, подключенного к первому ключу, вторым входом подключенного к первому выходу триггера, а выходом к +1 входу счетчика, выход которого подключен к первому входу шифратора, второй вход которого подключен к выходу настроечного устройства, выход шифратора соединен с входом первого исполнительного элемента, подключенного к входу первой заслонки гидроаккумулятора, пороговый элемент установлен на корпусе генератора, на валу которого установлена метка (магнит, источник освещения), выход порогового элемента подключен к входу первого формирователя импульсов, который подключен к 1-му входу первого триггера, и к входу первого элемента задержки, выход первого триггера подключен к входу элемента НЕ, подключенного к 1-му входу второго ключа, который подключен к выходу первого элемента задержки, выход второго ключа подключен к «0»-входу первого триггера и к входу второго формирователя импульсов, подключенного к р-входу шифратора и к входу второго элемента задержки, подключенного к «0»-входу счетчика, выход первого формирователя импульсов подключен к первому входу третьего ключа, р-вход которого подключен к четвертому ключу, подключенному к р-выходу шифратора, первый вход которого подключен к выходу второго делителя, вход которого подключен к выходу генератора импульсов, выходы третьего и четвертого ключей подключены к 1 и 0 входам второго триггера, первый выход которого подключен к второму входу четвертого ключа и к входу второго исполнительного элемента, выход которого подключен к входу второй заслонки гидроаккумулятора, снабженной пружиной, «0»-выход второго триггера подключен ко 2-му входу третьего ключа, причем метка крепится на валу генератора.

2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит обратный клапан, стоящий на входе гидроаккумулятора, и датчик давления рабочей жидкости, установленный в полости гидроаккумулятора.